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中國科大首次利用雙極膜重水解離實(shí)現(xiàn)氘代酸堿的低成本制造

研發(fā)快訊 2025年07月10日 09:10:31來源:中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) 1208
摘要氘代酸和氘代堿是合成氘代藥物、進(jìn)行氫/氘(H/D)交換反應(yīng)的關(guān)鍵原料,同時在OLED等發(fā)光材料中具有重要應(yīng)用,市場前景廣闊。

  【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)精準(zhǔn)智能化學(xué)全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室徐銅文教授、汪耀明特任教授和李震宇教授團(tuán)隊聯(lián)合攻關(guān),在氘代化學(xué)品制備領(lǐng)域取得突破性進(jìn)展。研究團(tuán)隊創(chuàng)新性地利用雙極膜實(shí)現(xiàn)重水(D?O)高效解離,首次揭示了核量子效應(yīng)導(dǎo)致膜層內(nèi)氘離子(D?)遷移速率反超氫離子(H?)的現(xiàn)象,顛覆了長期以來“重水解離速率慢”的傳統(tǒng)認(rèn)知,并成功開發(fā)出低成本、高效率制備氘代酸和氘代堿的新技術(shù)。該重要研究成果以“Synthesis of deuterated acids and bases using bipolar membranes”為題,于北京時間7月9日在國際學(xué)術(shù)期刊《自然》上在線發(fā)表。
 
  氘代酸和氘代堿是合成氘代藥物、進(jìn)行氫/氘(H/D)交換反應(yīng)的關(guān)鍵原料,同時在OLED等發(fā)光材料中具有重要應(yīng)用,市場前景廣闊。然而,當(dāng)前氘代酸堿的生產(chǎn)普遍存在工藝復(fù)雜多樣、反應(yīng)條件苛刻、產(chǎn)物純化困難、濃縮能耗高等瓶頸問題。本研究以廉價的重水和無機(jī)鹽為原料,在室溫條件下利用雙極膜電滲析技術(shù)直接高效解離重水,一步生成高濃度的氘代酸和氘代堿,大幅降低了生產(chǎn)成本,有望為下游眾多氘代化學(xué)品提供經(jīng)濟(jì)、優(yōu)質(zhì)的氘代酸堿原料。
 
  圖1.雙極膜在重水與水體系中解離對比(圖1a:雙極膜重水解離工作原理示意圖;圖1b:重水體系下膜堆電壓升高現(xiàn)象;圖1c:重水體系各區(qū)域電阻顯著高于水體系;圖1d:D?/OD?生成速率反超H?/OH?;圖1e-f:鉀離子溶劑化結(jié)構(gòu)差異;圖1h和1i:氘離子團(tuán)簇(Zundel構(gòu)型)脫水能壘計算
 
  研究闡明了雙極膜高效解離重水的核心機(jī)理(圖1a)。在反向偏壓作用下,雙極膜中間層離子定向遷出,解離產(chǎn)生的氘離子和氘氧根離子成為氘代酸堿的來源。研究表明,重水體系中更高的氘氧鍵鍵能和更低的離子擴(kuò)散系數(shù)共同導(dǎo)致了雙極膜電滲析膜堆電壓的顯著升高(圖1b)。同時,更高的雙極膜極限電流密度和溶液電阻使得重水解離達(dá)到穩(wěn)態(tài)所需時間遠(yuǎn)長于普通水解離(>45分鐘)。分析表明,重水體系下雙極膜中間層解離電阻、膜層傳質(zhì)電阻及擴(kuò)散邊界層電阻均顯著高于水體系(圖1c)。在消耗相同電荷量的情況下,氘離子/氘氧根離子的生成速率反而是氫離子/氫氧根離子的1.25倍(圖1d),這顛覆了數(shù)十年來對重水產(chǎn)酸堿速率的固有認(rèn)知。分子動力學(xué)模擬表明,重水更高的粘度和更強(qiáng)的氫鍵網(wǎng)絡(luò)增加了陽離子(如鉀離子)遷移阻力,使其溶劑化殼層更穩(wěn)定有序(圖1e-f);其次,氘離子和質(zhì)子在膜相內(nèi)遷移能力存在差異。通過第一性原理計算證實(shí),膜相內(nèi)氘離子團(tuán)簇(Zundel構(gòu)型)具有比質(zhì)子團(tuán)簇更低的脫水能壘(低1.08 kcal·mol?¹,圖1h),導(dǎo)致其遷移速率差異近7倍。這表明離子在膜相內(nèi)的快速有序擴(kuò)散顯著強(qiáng)化了雙極膜中間層的解離效率。
 
圖2. 雙極膜重水解離制備多種氘代酸堿及其全流程評價
 
  基于此原理,研究團(tuán)隊成功將技術(shù)拓展至多個體系,實(shí)現(xiàn)了包括氘代硫酸、氘代鹽酸、氟化氘、氘代硝酸、氘氧化鉀、氘氧化鈉等在內(nèi)的一系列氘代酸和氘代堿的高效制備(圖2)。以該雙極膜重水解離技術(shù)為核心的氘代酸堿制備平臺,平均生產(chǎn)成本僅為傳統(tǒng)工藝的20%左右(即五分之一)。整個生產(chǎn)過程無需使用強(qiáng)腐蝕性試劑或重金屬催化劑,排放趨近于零,環(huán)境友好特性突出,高度契合我國經(jīng)濟(jì)社會全面綠色低碳轉(zhuǎn)型的戰(zhàn)略方向。目前,該技術(shù)已成功完成工程放大,具備年產(chǎn)3噸氘代酸堿的能力,為其工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)奠定了堅實(shí)基礎(chǔ)。
 
  中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)閆軍營博士后、蔣晨嘯副研究員和曾雄志特任副研究員為本文共同第一作者。徐銅文教授、汪耀明特任教授和李震宇教授為共同通訊作者。該研究工作得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金以及中國科學(xué)院基礎(chǔ)與交叉前沿科研先導(dǎo)專項(xiàng)的資助。

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